Полиэтилен: свойства, производство и применение¶

Полиэтилен (ПЭ, polyethylene, PE) — это термопластичный полимер этилена, относящийся к классу полиолефинов. Является самым распространённым в мире пластиком, объёмы мирового производства которого превышают 100 миллионов тонн в год. Материал представляет собой белое или полупрозрачное кристаллическое вещество, обладающее высокой химической стойкостью, морозостойкостью и диэлектрическими свойствами.

¶История открытия

Впервые полиэтилен был синтезирован в 1898 году немецким химиком Гансом фон Пехманом, который случайно обнаружил белый воскообразный осадок при нагревании диазометана. Однако промышленное значение этого открытия не было оценено. В 1933 году британские химики Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон из компании Imperial Chemical Industries (ICI) получили полиэтилен при высоком давлении (около 1700 атмосфер) в ходе экспериментов с этиленом. Процесс оказался опасным и невоспроизводимым, и исследования были приостановлены. В 1935 году Майкл Перрин усовершенствовал технологию, что позволило наладить первый промышленный выпуск полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) в 1939 году. Материал сразу нашёл применение в военной промышленности (изоляция радаров) во время Второй мировой войны.

¶Свойства

Полиэтилен обладает комплексом физико-химических свойств, определяющих его широкое распространение:

• Плотность: варьируется от 0,91 до 0,97 г/см³ в зависимости от типа полимера. Полиэтилен легче воды.
• Температура плавления: от 105 °C для низкоплотностного до 135 °C для высокоплотностного полиэтилена.
• Химическая стойкость: устойчив к действию кислот, щелочей, солей, органических растворителей при комнатной температуре. Разрушается под действием сильных окислителей (концентрированной азотной кислоты, хлора).
• Морозостойкость: сохраняет эластичность при температурах до −60 °C и ниже.
• Механические свойства: высокая ударная вязкость, устойчивость к растрескиванию, низкая жёсткость и твёрдость по сравнению с другими конструкционными пластиками.
• Электроизоляционные свойства: отличный диэлектрик, не проводит электрический ток.
• Газопроницаемость: высокая проницаемость для кислорода и углекислого газа, низкая — для водяного пара.

¶Классификация и виды

По способу производства и плотности полиэтилен разделяют на несколько основных типов:

¶Полиэтилен высокого давления (ПЭВД, LDPE)

Производится при давлении 1500–3000 атмосфер и температуре 200–300 °C. Имеет разветвлённую молекулярную структуру, низкую плотность (0,91–0,93 г/см³) и кристалличность (50–60 %). Отличается высокой эластичностью, мягкостью и прозрачностью. Используется для изготовления плёнок, пакетов, упаковочных материалов.

¶Полиэтилен низкого давления (ПЭНД, HDPE)

Получают при давлении 1–20 атмосфер с использованием катализаторов Циглера — Натта или хромоксидных катализаторов. Молекулярная структура линейная, плотность высокая (0,94–0,97 г/см³), кристалличность достигает 80–90 %. Материал более жёсткий и прочный, чем ПЭВД. Применяется для производства труб, канистр, ёмкостей, тары для пищевых продуктов.

¶Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП, LLDPE)

Сополимер этилена с альфа-олефинами (бутеном, гексеном, октеном), получаемый при среднем давлении. Сочетает прочность ПЭНД с эластичностью ПЭВД. Широко используется в производстве стрейч-плёнок, упаковки.

¶Полиэтилен среднего давления (ПЭСД, MDPE)

Занимает промежуточное положение по плотности (0,93–0,94 г/см³). Применяется для изготовления газопроводных труб, крышек для бутылок.

¶Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ, UHMWPE)

Обладает молекулярной массой в несколько миллионов дальтон. Характеризуется исключительной износостойкостью, ударопрочностью и самосмазывающимися свойствами. Используется в производстве бронежилетов, протезов суставов, деталей горнодобывающего оборудования.

¶Сшитый полиэтилен (PEX)

Полиэтилен с поперечными связями между молекулами, создаваемыми химическим или радиационным методом. После сшивки материал становится термореактивным, выдерживает температуры до 120 °C и высокое давление. Применяется в системах тёплого пола, водопровода и отопления.

¶Производство

Промышленное производство полиэтилена осуществляется двумя основными методами:

1. Полимеризация при высоком давлении (для ПЭВД): инициируется кислородом или пероксидами в трубчатых реакторах или автоклавах.
2. Полимеризация при низком и среднем давлении (для ПЭНД и ЛПЭНП): проводится в суспензии, растворе или газовой фазе с использованием металлоценовых и циглеровских катализаторов.

Сырьём для производства служит этилен, получаемый при крекинге нефтяных фракций или из природного газа (этан). Современные заводы по производству полиэтилена представляют собой крупные нефтехимические комплексы с годовой мощностью от 100 до 1000 тысяч тонн.

¶Применение

Полиэтилен является универсальным материалом, используемым практически во всех отраслях промышленности:

• Упаковка: плёнки, пакеты, пищевые контейнеры, бутылки, крышки. На этот сектор приходится около 60 % мирового потребления полиэтилена.
• Трубопроводы: водопроводные, газовые, канализационные трубы из ПЭНД и PEX, отличающиеся долговечностью (срок службы до 50 лет), коррозионной стойкостью и простотой монтажа.
• Кабельная промышленность: изоляция силовых и коммуникационных кабелей.
• Сельское хозяйство: парниковая плёнка, капельное орошение, мульчирующие покрытия.
• Медицина: шприцы, упаковка для стерильных инструментов, протезы, ёмкости для хранения крови.
• Автомобилестроение: топливные баки, бамперы, детали салона.
• Строительство: геомембраны для гидроизоляции, утеплители, шумозащитные экраны.
• Товары народного потребления: игрушки, вёдра, тазы, бытовая утварь.

¶Экологические проблемы

Полиэтилен не подвергается биологическому разложению в природной среде. Срок его естественного распада оценивается в 100–400 лет. Накопление отходов полиэтилена привело к формированию «мусорных островов» в океанах и загрязнению микропластиком экосистем. Для решения проблемы разрабатываются технологии вторичной переработки, позволяющие получать регранулят для повторного использования, а также создаются биоразлагаемые добавки, ускоряющие деструкцию материала. В России действует система раздельного сбора отходов, а с 2019 года введён запрет на захоронение отдельных видов полимерных отходов на полигонах.

¶Интересные факты

• Полиэтиленовый пакет был запатентован в 1965 году шведской компанией Celloplast и быстро вытеснил бумажные пакеты благодаря дешевизне и прочности.
• Из сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготавливают нити, которые в 10 раз прочнее стали при равном весе и используются в производстве пуленепробиваемых жилетов (торговая марка Dyneema).
• Первый искусственный сустав тазобедренного сочленения с вкладышем из полиэтилена был установлен в 1962 году британским хирургом Джоном Чарнли.